光电检测技术（朱均超）课件.ppt

1、12/4/20221 光电检测技术Photo-electricity Measurement Technology自动化学院测控系：朱均超2整体概述概述二点击此处输入相关文本内容概述一点击此处输入相关文本内容概述三点击此处输入相关文本内容312/4/2022课程性质专业课程（选修）学分2学分考核方式期末成绩80；平时成绩20412/4/2022参考书目光电测试技术张广军主编 中国计量出版社激光光电检测吕海宝等编著 国防科技大学出版社 光电技术 王庆有主编 电子工业出版社 半导体物理学刘恩科主编 电子工业出版社 教材雷玉堂等编著光电检测技术中国计量出版社512/4/2022课程主要内容n第一章

2、概论n第二章 光电检测技术基础n第三章 光电检测器件n第四章 热电检测器件n第六章 发光与耦合器件n第五章 光电成像器件n第十一章 光电检测技术的典型应用612/4/2022概论712/4/2022自动检测录像812/4/2022自动检测录像912/4/2022学习本课程的目的n了解光电检测系统的基本组成，光电检测技术的特点和发展趋势。n掌握光电检测器件（传感器、光源和成像器件）的工作原理及基本特性，了解它们的应用范围。n能够根据特性参数，选择合适的光电检测器件。熟悉常用器件的性能指标。n掌握了解常用光电检测技术的测量、数据采集、处理和转换的方法，了解所需的元器件、仪器和相关的接口技术。101

3、2/4/2022一、人眼的视觉特性n人眼的视觉功能辨别光亮和颜色的。对明暗光的适应能力。人眼具有很高的分辩能力（1）。具有很高的辨色能力（380780nm）。人眼视觉暂留时间（0.1S），动态响应时间（50ms）。同时感知大视场和小范围。1112/4/2022 亮度适应能力 暗光适应：亮暗，1030 秒亮光适应：暗亮，12 秒 人眼能适应亮度的范围是很宽的，由暗视阈值到强闪光之间的光强度差别约为1010级。人眼不能同时适应如此宽的光强范围，当适应某一平均亮度时，能同时鉴别出光强变化的范围要窄得多。主观感觉亮度与进入人眼内的外界刺激光强不成线性关系，实验表明，在很大范围内，成对数关系。一、人眼的

4、视觉特性1212/4/2022对比度 亮度对比 相同亮度的刺激，由于其背景亮度的不同，人眼所感受的主观亮度是不一样的。色度对比：一、人眼的视觉特性1312/4/2022 Mach 带 人眼在观察一条由均匀黑和均匀白的区域形成的边界时，会感觉在亮度变化部位附近的暗区和亮区分别存在一条更黑和更亮的条带。实际亮度感觉亮度一、人眼的视觉特性1412/4/2022二、光电技术、光电检测技术、光电传感器n信息技术:微电子信息技术（电集成）、光子信息技术（光集成）、光电信息技术（光电集成）。感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、控制技术。信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、处理、显示。1512/4

5、/2022二、光电技术、光电检测技术、光电传感器n光电技术是光学技术和电子技术的融合。n光电检测技术是光电技术的最核心部分。n光电传感器是光电检测技术的基础。n光电技术是信息技术的一个方面。1612/4/2022光电信息技术1、光电源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成2、光通信和综合信息网络3、光频微电子4、光电方法用于瞬态光学观测以光电子学为基础,光电子器件为主体，对光电信息的形成、传输、接收、变换、处理、应用进行研究，包括：5、光电传感、图像传感、光纤传感6、光电精密检测和控制技术7、激光、红外、微光探测，定向和制导8、光电信息混合处理、识别和图象分析1712/4/2022光电信息技

6、术9、光电人工智能和机器视觉10、光（电）逻辑运算和光（电）计算机及光电数据存储11、生物光子学 本课程着重在第5、6、7三个方面的一些基本知识，即：光电检测的元器件、系统、方法和应用。1812/4/2022光电检测技术n检测与测量n光电传感器：基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。n光电检测技术：是利用光电传感器将被测量的量转换成光信号,再转换成电信号，并结合信息通讯和处理技术，完成在线检测和测量。n光电检测系统光学变换光电变换电路处理1912/4/2022定义：被测信息：传感器、检测仪器、检测装置、检测系统全部操作：检测过程确定被测对象

7、的属性和量值为目的的全部操作检测的基本概念信号采集、信号处理、信号显示、信号输出物理量（光、电、力、热、磁、声、）被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体）检测器具化学量（PH、成份）生物量（酶、葡萄糖、）2012/4/2022例：空调机测量控制室温空气被测对象：被测信息：检测器具：操作过程：室内空气温度温度传感器-热电阻、热电偶 热敏电阻 电信号 处理 显示空调机返回2112/4/2022光电传感器的种类类 型实 例PN结PN光电二极管（Si,Ge,GaAs)PIN光电二极管（Si）雪崩光电二极管(Si,Ge)光电晶体管(Si)集成光电传感器和光电晶闸管(Si)非PN结光电元件(CdS

8、,CdSe,Se,PbS)热电元件(PZT,LiTaO3,PbTiO3)电子管类光电管，摄像管，光电倍增管其他类色敏传感器固体图像传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）位置检测用元件（PSD）光电池返回2212/4/2022三、光电检测系统n光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。n由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过A/DA/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。2312/4/2022变换电路

9、光电传感光源光学系统被测对象光学变换电信号处理存 储显 示控 制光学变换电路处理光电检测系统2412/4/2022光电检测系统n光学变换时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽空域变换：光学扫描光学参量调制：光强、波长、相位、偏振形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。n光电变换光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。n电路处理放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。2512/4/2022光电检测系统与人操作功能比较被测物体 感觉器官 人脑 手控 被测物体 光电传感 微机 执行机构光电传感部分相当于人身

10、的感觉器官 2612/4/2022光电检测系统的功能分类n测量检查型:几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、距离。运动量：速度、加速度、振动表面形状：光洁度、庇病、伤痕工作过程：湿度、流量、压力、物位、PH值、浓度等机械量：重量、压力、应变、压强电学量：电流、电压、电场、磁场光学量：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱2712/4/2022n控制跟踪型跟踪控制：激光制导，红外制导数值控制：自动定位，图形加工形成，数值控制n图像检测型图像检测图形分析2812/4/2022四、光电检测技术的特点n高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。n高速度：光速是最快的。n远距离、大量程：

11、遥控、遥测和遥感。n非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。n寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。n数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。2912/4/2022五、光电检测技术发展趋势n新型光电材料和器件不断出现n纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。n小型、快速的微型光、机、电检测系统。n非接触、快速在线测量。n微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。n闭环控制的光电检测系统，实现光电测量与光电控制一体化。n向人们无法触及的领域发展。n光电跟踪与光电扫描测量技术。3012/4/20221、在工业生产领域的应用在

12、线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位.现代工程装备中，检测环节的成本约占5070%六、光电检测技术的应用3112/4/2022检测技术在汽车中的应用日新月异发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等 汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容 普通轿车：约安装几十到近百只传感器，豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。底 盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车 身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等

13、 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等 3212/4/20223312/4/20222、检测技术在日常生活中的应用 家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式-红外传感器自动感应灯：亮度检测-光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管办公商务：可视对讲、可视电话：图像获取-面阵CCDCCD扫描仪：文档扫描-线阵CCDCCD红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：电子血压计：血压检测 -压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪 -

14、离子传感器3412/4/20223、检测技术在军事上的应用夜视瞄准系统激光测距系统导弹导航系统.3512/4/2022“阿波罗10”：火箭部分-2077个传感器飞船部分-1218个传感器检测参数-加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学神州飞船：185台（套）仪器装置4、检测技术在航天领域的应用3612/4/2022第一章 光电检测技术基础3712/4/2022n辐射度量与光度量n半导体基础知识n光电效应本章主要内容3812/4/2022光的基本性质n牛顿微粒说根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振n波动理论惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射

15、现象麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波3912/4/2022辐射度量与光度量4012/4/20221、光的基本性质n牛顿微粒说根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振n波动理论惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波4112/4/20221、光的基本性质n光量子说1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念光子的能量与光的频率成正比光具有波粒二象性4212/4/2022可见光的波长4312/4/20222、辐射度量n辐射能Qe：一种以电磁波的形式发射、传播或

16、接受的能量。单位：焦耳Jn辐射通量e：单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率。单位：瓦。e=d Qe/dtn辐射是一种能量形式，既有电磁性质，又有量子性质。n辐射伴随着能量的转移。4412/4/2022n辐射强度Ie：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：W/sr Ie=de/dn辐射出射度e：辐射体在单位面积内所辐射的通量或者功率，用来度量物体的辐射能力。单位：W/m2 Me=de/dA2、辐射度量4512/4/2022n辐射亮度Le：由辐射表面定向发射的辐射强度称为辐射亮度。它由单位面积的辐射表面所发射通量的空间分布决定。单位：

17、W/(m2.sr)Le=d Ie/(dAcos)如果辐射源的Le不随着方向变化，则这种特殊光源称为余弦辐射体。n辐射照度Ee：单位面积上接收的辐射通量。单位：W/m2 Ee=de/dA2、辐射度量4612/4/2022基本辐射度量的名称、符号和定义方程名称符号定义方程单位符号辐射能Q,焦耳J辐射能密度焦耳立方米Jm-3辐射通量，辐射功率瓦特W辐射强度瓦特球面度Wsr-1辐射亮度 瓦特球面度平方米Wm-2 sr-1辐射出射度瓦特平方米Wm-2辐射照度瓦特平方米Wm-2dvdQw/PwdtdQ/ddI/cos/2dAddLcos/dAdIdAdM/dAdE/4712/4/2022n除了特殊的光源外

18、，大量的光源主要用于照明，需要考虑人眼的视觉特性。n光度量是以人眼对相应辐射度量的视觉强度值。n视神经对各种不同波长光的敏感度不同，能量相同而波长不同的光，具有不同的视觉强度。n照明委员会依据人眼对各种波长的平均相对灵敏度确定了 光谱光视效率，其最大值为555nm。3、光度量4812/4/2022 光通量：光通量是光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值。3、光度量780380,)()(dVKdVKememde,波长到d 间隔内光源的辐射通量。)(V系数，单位为流明/瓦，（lm/W）mK无量纲系数4912/4/2022 发光强度I：光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量，称为光源在该方向上的发光

19、强度：3、光度量 发光强度I的单位是坎德拉(Candela)cd，是国际单位制中七个基本单位之一。1cd是指光源在给定方向上发出波长为555nm的单色辐射，且其辐射强度是1/683W/sr。ddI/5012/4/2022 出射度M：光源表面给定点处单位面积向空间所发出的光通量，称为光源在该点的光出射度。3、光度量dAdM/其单位为流明每平方米，lm/m25112/4/2022 光照度E：单位面积所接受的入射光通量，单位：勒克斯lx，相当于 1平方米面积上接受到1个流明的光通量。3、光度量 点光源的照度和距离的平方成反比，和照度成正比，即：cos2lIE 5212/4/2022晴天阳光直射地面照

20、度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内北窗附近照度约为2000lx晴天室内中央照度约为200lx晴天室内角落照度约为20lx阴天室外50500lx阴天室内550lx月光（满月）2500lx日光灯5000lx电视机荧光屏100lx阅读书刊时所需的照度5060lx在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx晴朗月夜照度约为0.2lx黑夜0.001lx5312/4/2022 光亮度L：光源表面一点处的面元dA在给定方向上的发光强度dI与该面元在垂直于给定方向上平面上的正投影之比，称为光源在该方向上的亮度。3、光度量 余弦辐射体的光亮度同方向无关。cosdAdIL 亮度单位：cd

21、/m25412/4/2022n 辐射度量描述所有波长的辐射特性。n 光度量同人眼的视觉特性相关，只对部分谱段敏感。3、辐射度量同光度量的关系5512/4/2022半导体基础知识5612/4/2022一、半导体及其特性n导体：电阻率10-610-3cmn绝缘体：电阻率1012cmn半导体：绝缘体电阻率EF，f(E)1/2。能量小于费米能级时，E1/2。(1)6712/4/2022三、热平衡载流子 若EEF为kT的若干倍，则能量分布简写为:kTEkTEkTEEeeeEfFF1)(可以看出，随着能量的增加，分布几率f(E)迅速减小；所以导带中的电子的大多数分布在导带底附近；价带中的空穴分布在价带顶附

22、近。(2)6812/4/2022三、热平衡载流子电子浓度n和空穴浓度p分别为：kTEEFeNn)(kTEEFeNp)(4)(3)N-：导带的有效能级密度N+：价带的有效能级密度kTEkTEEkTEEgFFeNNeNeNpn/)()(Eg=E-E+，是禁带宽度(5)6912/4/2022三、热平衡载流子本征半导体中，电子和空穴相等，其本征载流子浓度为：kTEigeNNn22/1)(6)本征载流子浓度同温度有关，温度越高，其本征载流子浓度就越高。温度一定时，本征载流子浓度一定。)ln(21)E(21NNkTEEF本征半导体的n=p，所以其费米能级为：7012/4/2022三、热平衡载流子 杂质半导

23、体中，费米能级在禁带中的位置同本征半导体不同。极低温度下，N型半导体的费米能级位于施主能级和导带底的正中间。P型半导体的费米能级在受主能级和价带顶的正中间。温度升高时，N型和P型半导体的费米能级都要向禁带中央的本征费米能级靠近。7112/4/2022四、非平衡载流子n半导体由于受到光照等外界作用影响，其电子和空穴的产生率大于复合率，造成载流子数目的增加，这些增加的载流子称为非平衡载流子。n热平衡时，半导体内部的载流子的产生率等于复合率，系统处于平衡状态；有光等外界影响发生时，载流子产生率大于复合率，并最终平衡；光等外界因素消除时，复合率大于产生率，并最后趋于平衡。7212/4/2022四、非平

24、衡载流子其中t是载流子的寿命，其物理意义为：t标识非平衡载流子复合的快慢。t就是当非平衡载流子浓度衰减到原来的1/e所需的时间.t时非平衡载流子的平均存在时间。)/(/pn或者复合率1)载流子的寿命(7)7312/4/2022四、非平衡载流子2)非平衡载流子的复合类型包括：自由电子和自由空穴直接复合：导带电子直接落在价带空穴的位置上，与空穴结合失去其自由态的过程。通过复合中心的间接复合：半导体中由于晶体结构不完整和杂质的存在，在禁带中存在一些深能级，这些深能级可以俘获电子和空穴，从而使他们复合。这个过程称为间接复合。7412/4/2022四、非平衡载流子3)陷阱效应n由于某种原因，半导体中出现

25、了非平衡载流子，从而造成半导体内部的杂质能级上电子数目增加或者减少，使得杂质具有收容电子或者空穴的作用，就是陷阱效应。n一般情况下陷阱的密度远小于材料中多数载流子密度，故可以忽略。n杂质能级位置离费米能级越近，陷阱效果越显著。n陷阱效应可以增加载流子的存在时间，影响到半导体的非平衡到平衡的过程，也就是增加了驰豫时间。7512/4/2022五、载流子的运动n半导体中存在能够自由导电的电子和空穴，在外界因素作用下，半导体又会产生非平衡电子和空穴。n载流子的运动形式分为扩散运动和漂移运动。n扩散运动是在载流子浓度不均匀的情况下，载流子由热运动造成的由高浓度到低浓度的迁移运动。n漂移运动是在电场作用下

26、，除了热运动之外获得的附加运动。7612/4/2022五、载流子的运动n一维扩散运动dxpdDjpp)(dxndDjnn)(8)电子扩散电流密度空穴扩散电流密度Dn和Dp是电子和空穴的扩散系数7712/4/2022五、载流子的运动n漂移运动(9)半导体中晶格原子和杂质离子在晶格点阵位置附近作热运动，而载流子在晶格间作不规则的热运动，并不时和原子 和杂质离子发生碰撞，从而改变其运动速度的大小和方向，这些现象称为散射。N型半导体漂移引起的电流密度为：nqvj j 电流密度 n 载流子密度 q 电子电荷 v 载流子的平均漂移速度。7812/4/2022五、载流子的运动7912/4/2022五、载流子

27、的运动8012/4/2022五、载流子的运动8112/4/2022六、半导体对光的吸收1、本征吸收 电子由于吸收光子，从价带跃迁到导带，这个吸收过程称为本征吸收，是最主要的光吸收。本征吸收存在一个长波限，波长大于这个限时，不能引起本征吸收。)(24.10mEEchgg8212/4/2022六、半导体对光的吸收8312/4/2022六、半导体对光的吸收3、自由载流子吸收 自由载流子在同一能带中不同能级之间的跃迁现象，使得在本征吸收限长波侧还存在强度随着波长增加的吸收，称为自由载流子吸收。自由载流子的吸收不引起载流子浓度变化，但由于电子的迁移效率依赖于能量，所以会导致迁移率改变。8412/4/20

28、22六、半导体对光的吸收8512/4/2022六、半导体对光的吸收5、晶格吸收 晶格吸收中，光子直接转变为晶格原子的振动。由于晶格的振动也是量子化的，所以能量的改变量也是hv的整数倍。晶格吸收的光谱范围和晶格振动的频率在同一数量级，通常其波长在10100um之间。8612/4/2022七、半导体的PN结及金属与半导体的接触1 1、PNPN结原理：当型半导体和型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。由于电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使区和区中原来的电中性条件破坏了。区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，区一侧因失去电子而留

29、下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在区和区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是结。8712/4/2022七、半导体的PN结及金属与半导体的接触8812/4/2022七、半导体的PN结及金属与半导体的接触8912/4/2022七、半导体的PN结及金属与半导体的接触9012/4/2022七、半导体的PN结及金属与半导体的接触9112/4/2022七、半导体的PN结及金属与半导体的接触9212/4/2022七、半导体的PN结及金属与半导体的接触9312/4/2022七、半导体的PN结及金属与半导体的接触 图a是两种材料独立的能带图，图b是两种材料结成异质结

30、后，在平衡状态下的能带图。可以看出，构成异质结后，能带边缘是不连续的，由于费米能级的差别，比形成电荷的转移。电子从N型的砷化镓中向P型的锗转移；空穴移动方向相反。形成内电场后，内电场阻止其进一步移动，从而达到平衡，出现统一的费米能级。此时锗中在结区附近形成局部的空穴耗尽区，使能带向下弯曲；同时砷化镓能带向上弯曲。内建电场的电压为两个内建电场电压之和：9412/4/2022七、半导体的PN结及金属与半导体的接触9512/4/2022七、半导体的PN结及金属与半导体的接触肖特基势垒 肖特基势垒是指具有整流特性的金属-半导体接面，就如同二极管具有整流特性。肖特基势垒相较于PN接面最大的区别在于具有较

31、低的接面电压，以及在金属端具有相当薄的(几乎不存在)空乏区宽度。9612/4/2022七、半导体的PN结及金属与半导体的接触9712/4/2022七、半导体的PN结及金属与半导体的接触n并非所有的金属-半导体接面都是具有整流特性的，不具有整流特性的金属-半导体接面则称为欧姆接触。整流属性决定于金属的功函、固有半导体的能隙，以及半导体的掺杂类型及浓度。在设计半导体器件时需要对肖特基效应相当熟悉，以确保不会在需要欧姆接触的地方意外地产生肖特基势垒。9812/4/2022七、半导体的PN结及金属与半导体的接触 4 欧姆接触 欧姆接触是半导体设备上具有线性并且对称的电流-电压特性曲线(I-V curv

32、e)的区域。如果电流-电压特性曲线不是线性的，这种接触便叫做肖特基接触。典型的欧姆接触是溅镀或者蒸镀的金属片，这些金属片通过光刻制程布局.低电阻，稳定接触的欧姆接触是影响集成电路性能和稳定性的关键因素，它们的制备和描绘是电路制造的主要工作。99Q&A问答环节敏而好学，不耻下问。学问学问，边学边问。Heisquickandeagertolearn.Learningislearningandasking.100结束语 CONCLUSION感谢参与本课程，也感激大家对我们工作的支持与积极的参与。课程后会发放课程满意度评估表，如果对我们课程或者工作有什么建议和一件，也请写在上边，来自于您的声音是对我们最大的鼓励和帮助，大家在填写评估表的同时，也预祝各位步步高升，真心期待着再次相会！101谢谢您的观看与聆听Thankyouforwatchingandlistening